Meetsystemen ten behoeve van handbediende en numeriek bestuurde gereedschapsmachines

bestuurde gereedschapsmachines

Citation for published version (APA):

Schoot, van der, H. W. P. (1982). Meetsystemen ten behoeve van handbediende en numeriek bestuurde

gereedschapsmachines. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Laboratorium voor mechanische technologie en werkplaatstechniek : WT rapporten; Vol. WT0524). Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1982

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

- Nube

Auteur: H.W.P. v.d. Schoot

menhangende begrippen zoals: open en gesloten besturingen, absolute en incrementele meetsystemen; analoog en digitaal, rotatie en

trans-latie, direct en indirect, dynamisch en statisch.

Na een beschrijving van analoge meetsystemen, zoals potentiometrische meetsystemen, inductieve hoekmeters of resolvers, inductosyn alsmede een systeem berustend op reflectie van licht en een systeem waarbij de looptijd van een geluidsimpuls gemetenwordt, worden de beginselen beschreven van een aantal digitale meetsystemen, waaronder die vol-gens het translerende endie volvol-gens het roterende principe o.a. ge-maakt door firma's als Philips, Heidenhain, Gel, TSB etc.

In deze beschrijving komen een aantal systemen voor, die niet zozeer geschikt zijn voor toepassing op numeriek bestuurde machines, maar toch zo belangrijk geacht mogen worden voor de werktuigbouwkunde in zijn geheel, dat een vermelding hier niet mag ontbreken.

2. Assenstelsels ..•...•..•...•..•.••...•••..•.•.•..•..• 2

3. Meetsys temen ...•.•..•....••...•...•••••••••...••...• 3

4. Indeling van meetsystemen •...•.••••...•... 5

4.1. Analoge en digitale meetsystemen ... 5

4.2. Absolute en inkrementele meetsystemen ... 5

4.3. Meetsystemen voor roterende en lineaire bewegingen ...••.•••.• 6

4.4. Dynamische en statische meetsystemen •...••.•••••..•..•..•••.•

7

5. Praktische principes •.•...•..•.•...•.•...•..•....••.••.•...••.• 7 5.1. Analoge meetsystemen ...•...•.... -... 8 5.1.1. Potentiometrische systemen ... 8 5.1.2. Fotonic sensor ...•....•...•...•.•..•••..•.. 10 5.1.3. Geluidimpuls meetsysteem ... 11 5.1.4. De inductieve hoekmeter ... 13 5.1.5. De inductosyn ...•...• ~... 20

5.2. Absolute digi tale meetsystemen ...•.•....•..•..•.•..••..••.••. 23

5.3. Incrementele digitale meetsystemen ••••••••••••••••••••.•••••. 27 5.3.1. Meetsystemen met statische bemonstering van de merk-tekendrager ....••..•..•••.••••••••...•••.•••••••.••• 27

5.3.2. Interpolatie bij systemen met statische bemonstering. 31 5.3.3. Signaalbehandeling ...•..•••..•••••••...•..• 33

5.3.4. Dynamische bemonstering van de merktekendrager ••.• :. 36 5.3.5. Het Ferranti meetsysteem ... 37

5.3.6.

Het Philips translatie meetsysteem met polygoon ..••.

39

5.3..7. Het Philips .translatie meetsysteem met optoscanner.. 42.

6. Beoordeling van meetsystemen, eisen verwachtingen •..•••.•••••••••••• 48

MEET5Y5TEMEN.

1. Open en gesloten besturingen.

Om van een zinvolle machinebesturing te kunnen spreken moeten lineaire verplaatsingen of rotaties overeenkomen met de opgedragen beweging; de "output!1 moet met de IIi nput ll overeens temmen, de 111 st-Wert" moet

overeen-s temmen met de "50 II-vie rtll. Twee types bes tu r i ngen kunnen worden onder-scheiden:

1. g~_Qe~Q_E~~S~rIQg (zie Fig. 1.A)

De mach i ne is zodan i 9 u i tgevoe rd, da teen i ngangswaa rde Ila 1 t i j dll de gewenste verplaatsing (of rotatie) oplevert. Bijvoorbeeld de aan-drijfkrachten worden geleverd door een stappenmotor met koppelom-vormer; een ingangsimpuls levert een stapbeweging op.

2. 2~_9~~lQ~~Q_~~~s~rIQ9 (zie Fig. 1.B)

De machine is uitgevoerd met een motor die een beweging in stand houdt zolang een stuurversterker energie levert. de verplaatsing wordt ge-meten met een meetsysteem, de gege-meten waarde wordt vergeleken met de gewenste waarde. het verschil is ingangsgrootheid voor de stuurver-sterker. die net zolang energie levert aan de aandrijfmotor. totdat het verschil tussen gewenste en gemeten waarde nul is.

Input Input

2 1 2 1

A B

1:slede 2:aandrijfeenheid 3: verschilversterker 4: meetsysteem

Fig. 1. Blokschema van een open (A) en een gesloten (B) bes tu r i n9.

2. Assenstelsels.

Bij gereedschapsmachines (en meetmachines) zal men bekend willen zijn met verplaatsingen in verschillende asrichtingen, met toerentallen van spindels, met hoekverdraaiingen van werkstukken en/of gereedschappen, ook in relatie tot lineaire verplaatsingen (vergelijk schroefdraadsnij-den op een draaibank) , met de hoek waaronder een werkstuk benaderd wordt door een gereedschap, met de hoek waaronder een gereedschap lineair of volgens een contour langs een werkstuk bewogen wordt etc. In speciale gevallen is het denkbaar, dat andere grootheden gemeten moeten worden, bijv. drukken, temperaturen, physische eigenschappen als funktie van een lopende bewerking. Wij beperken ons hier tot meetsystemen voor lineaire verplaatsingen (translaties) en draaiende bewegingen (rotaties). In Fig.

2. is het gebruikelijke hoofdassenstelsel weergegeven.

+Z

J,

+A

-x

(3

.. +x

-y -Z A 8

Fig. 2. Hoofdassenstelsel (A), 2-assige draaibankbesturing (B) .

Naast het hoofdassenstelsel zi jn hulpassen te benoemen o.a. - een tweede as pa ra II e I aan de X-as: U-as

- een tweede as parallel aan de V-as: V-as - een tweede as parallel aan de Z-as: W-as

De letters D en E zijn gereserveerd voor rotaties om hulpassen. Voor een draaibank is verplaatsing van de langsslede in de richting van de klauw-plaat (naar de hoodspil dus) een beweging van de Z-as in negatieve rich-ting; beweging van de dwarsslede van de voorzijde af in de richting van

vQn de hartlijn van de hoofdspil, is beweging van de X-as in negatieve rich t i ng . I n Fig. 2.8 is een tweeassige draaibankbesturing aangegeven.

3.

Meetsystemen.

In het begin van de vorige eeuw werd in de chaos van maten en maatstel-sels meer eenheid geschapen. Oit leidde tot de fabricage van betere meetmiddelen, in eerste instantie betere linialen. Tegen het einde van de vorige eeuw waren veel landen in het bezit van secundaire standaarden. Rond deze tijd werden de eerste sets eindmaten gemaakt. In het begin van deze eeuw kwam de lengtemeting met behulp van licht op gang. De sta-tus van de metingen met behulp van de golflengte van licht, in het bij-zonder de rode spectraal1ijn van Cadmium, werd vastgelegd. Oit betekende dat ijking van eindmaten, door middel van interferometrie, erkend werd

(1927). De interferometrie ontwikkelde zich verder tot de laserinterfero-metrie. In laboratoria behaalt men met deze meetmethode nauwkeurigheden

10 11

van 1 op 10 tot 1 op 10 . Voor deze nauwkeurigheden is het nodig om in vacuum te werken; namelijk de golflengte van licht in lucht is afhan-kelijk van de brekingsindex van lucht, waarbij opgemerk dat een graad temperatuurverandering van de lucht een golflengteverandering tot gevolg heeft van 1 op 10

6

.

Oit is gelijk aan de uitzettingscoefficient van kwarts en invar en ongeveer een-tiende van de uitzettingcoefficient van staal. Daar temperaturen niet essentieel beter dan tot op een-duizendste graad bepaald kunnen worden, houdt bovenstaande in dat de golflengte van licht in lucht bepaald kan worden met een nauwkeurigheid van 1 op 109. Oit be-tekend dat bepaalde objecten niet nauwkeuriger gemeten kunnen worden dan met nauwkeurigheden van ongeveer 1 op 108. De grootste nauwkeurigheid van techn i sche" 1 asers 1 i gt op ongeveer 1 op 107.

In de laatste decennia zijn naast de toegenomen nauwkeurige Meetmiddelen, de tolerantie-eisen voor fabricage van gereedschapswerktuigen gestegen. Het meten in werkplaatsen heeft zich geevalueerd van het meten met be-hulp van vlakplaten met eindmaten en meetklokken via de optische meetma-chines, de meetmachines met electrische c.q. electronische meetsystemen tot de drie-dimensionale meetmachines met computer voor automatisch IIr ichten en uitlijnenl l, data-opslag en automatische verwerking van meet-gegevens, die automatisch volgens een opgelegd programma verkregen wor-den. In de ontwikkeling zijn de mogelijkheden tot het meten direct op de

gereedschapswerktuigen, tijdens de fabricage van een produkt niet verten. In de loop der jaren zijn veJe soorten meetsystemen in gebruik ge-nomen. Een duidelijke indeling van de bestaande meetsystemen is niet zon-der meer te maken, daar een meetsysteem vaak in meerzon-dere groepen thuis-hoort. Men kan een indeling van meetsystemen bedenken naar de gebruikte fysische media: licht, electriciteit, luchtdruk, geluid.

Voorbeelden:

- Wordt in een meetsysteem een lichtbron als energiebron gebruikt, dan kan een liniaal met gaten, via welke fotocellen belicht of niet belicht worden, als merktekendrager dienen. De fotocellen zijn dan de opnemers, deze kunnen spanning of lading afgeven of hun geJeidbaarheid kan vari-eren als funktie van belichte of onbelichte toestanden.

- Electriciteit of daarmee verwante energie zoals magnetisme, kan op veler-lei wijze in meetsystemen voorkomen: de gemeten waarde is een spanning, stroom, weerstand etc. als funktie van de verplaatsing.

Toepassing van luchtdruk in de vorm van een luchtstroom via een merkte-kendrager met gaten, waarbij een drukgevoelig element als opnemer dienst doet.

- Een geluidsgolf die zich in een merktekendrager voortplant waarbij de voortplantingstijd tussen twee posities de maat geeft.

Figuur

3.

geeft een mogelijk model van een meetsysteem. Het gaat hier om een algemeen model, zeer schematisch voorgesteld, waarbij de

verschil-lende elementen in ruime zin geinterpreteerd dienen te worden.

~ I~ ~~

meetwaarde I

/

energiebron 2 opnemer 3 merktekendrager 4 hulpelement

4.

Indeting van meetsystemen.

Ter beoordeling van prestaties en inzetbaarheid van meetsystemen bij be-paalde toepassingen is een indeling naar gebruikte fysische media van betrekkelijk belang. Meer praktische indelingen kunnen er als voIgt uit-zien:

1. analoge en digitaJe meetsystemen 2. absolute en inkrementele meetsystemen

3.

meetsystemen voor roterende en lineaire bewegingen 4. dynamische en statische meetsystemen.

De kenmerkende eigenschap van een analoog meetsysteem is,dat elke positie-verandering as een evenredige positie-verandering van de uitgangsgrootheid Us ver-oorzaakt:

waarbij kl een constante is.

In principe geldt ook: Us

=

kl . s. Een digitaal meetsYSteem geeft als funktie van een positieverandering een stapvormige verandering van de uitgangsgrootheid. Dus geen wijziging van de uitgangsgrootheid tussen twee stappen.

Voor een absoluut meetsysteem geldt dat voor elke positie van de meet-opnemer een uitgangsgrootheid vast 1igt. Het nulpunt van het meetsysteem

is niet te kiezen of te verplaatsen; de pJaats van het systeem op een machine bepaalt het IInu lpunt" van de machine.

Inkrementele meetsystemen daarentegen hebben geen vast nulpunt (referen-tiepunt). Elke positie wordt in principe opgegeven t.o.v. de voorgaande positie. Is het systeem buiten bedrijf geweest. dan moet v66r ingebruik-name het referentiepunt bepaald worden; dit geldt dus ook bij tijdelijke uitval van de energiebron. Deze laatste "gebruiksaanwijzing" geldt niet voor absolute meetsystemen, waarbij na in bedrijfstellen meteen de juiste positie aangegeven wordt; voordeel van het incrementele systeem is dat grote vrijheid geboden wordt bij de keuze van het nulpunt van de machine.

__

~~~~_~~~!~Y~!~~~~_YQQr_rQ~~r~~2~_~~_11~~§lr~_e~~~gl~9~~·

Een meetsysteem voor roterende bewegingen (rotaties) is over het algemeen een meetsysteem, dat als een gesloten eenheid is opgebouwd, waarbij door middel van een uitstekende as een ronde merktekendrager verdraaid kan worden ten opzichte van de opnemer (of omgekeerd). Dit betekent dat de

uitgangsgrootheid van een rotatiemeetsysteem overeenkomt van een hoekver-draaiing.

Een meetsysteem voor lineaire verplaatsingen (translaties) is een meetsy-steem, waarbij een opnemer lineair verplaatst wordt langs een rechte merktekendrager (of omgekeerd). De uitgangsgrootheid van het systeem komt overeen met een lineaire verplaatsing (translatie). Is het nu zo, gezien bovenstaande definities, dat rotatiemeetsystemenaltijd en aIleen ingezet worden om hoekverdraaiingen te meten, en translatiemeetsystemen om line-aire verplaatsingen te meten? Zeer zeker niet! Het is zeer goed mogelijk, vaak zelfs erg comfortabel envoordelig, om door middel van al of niet reeds aanwezige hulpmiddelen, rotaties om te zetten in translaties of transJaties in rotaties. Worden meetsystemen Op de laatst genoemde manier toegepast dan spreekt men ook wei van 1~21r~s!~_~~~~~y~!~~~~. Worden meet-systemen toegepast zonder gebruik van hulpmiddelen m.a.w. hoekverdraaiingen rechtstreeks gemeten met rotatiemeetsystemen en Jineaire verplaatsingen met translatiemeetsystemen dan spreekt men van glr~s!~_m~~!§y~!~~~~. De aanduiding directe en indirecte meetsystemen zijn niet te koppelen aan meetsystemen, doch veeleer van toepassing op de manier van inzetten van desystemen. Oat de aanduidingen wei eens verward worden met translatie- en rotatiemeetsystemen is waarschijnlijk te verklaren uit het feit dat het aantal rotatiemeetsystemen, .gebruikt voor meting van lineaire verplaatsing, verre het aantal translatiemeetsystemen, dat hoekverdraai.ingen meet, over-treft. Rotatiemeetsystemen zijn over het algemeen eenvoudiger van construc-tie, goed afgedicht en beter beschermd tegen vuil, vocht en schadelijke

invloeden van de omgeving; ook wat kosten betreft steken deze systemen af tegen translatiemeetsystemen. Bij de beslissing tot toepassing van

ro-tatiemeetsystemen voor het meten van lineaire verplaatsingen spelen ech-ter nog andere overwegingen een role

Zo zal de rij van mogelijke foutbronnen, verstoringen van nauwke~righeden

voor beide soorten meetsystemen gelijke oorzaken vertonen: temperatuur-veranderingen, onnauwkeurigheid van de merktegendrager, fouten ten gevolge van onjuiste montage; de laatste foutbron zal voor rotatiesystemen, die

gebruikt worden voor meting van lineaire verplaatsingen, minder zlJn dan voor translatiemeetsystemen. De rij van mogelijke foutbronnen is voor het

rotatiemeetsysteem waarmee lineaire verplaatsingen gemeten worden echter u i tgebrei der dan voor een trans lat i emeetsysteem, name 1 i jk.: fouten ten ge-volgen van onvolkomenheden in de IIhulpmiddelen" die de lineaire verplaat-sing omzetten in een roterende beweging, zoals: fouten in de spoed van een kogelomloopspindel, slijtage van de aandrijfspindel, speling in de spindel lagers en in de spindelmoer, torsie en buiging.

__

~~~~_Q~~~~i2Sb~_~~_2S~Si2Sb~_~~~!§~§!~~~~·

.

De woorden dynamisch en statisch hebben betrekking op de manier waarop de merktekendrager bemonsterd wordt. Als het meetsysteem in rust is geeft de opnemer van een statisch meetsysteem een constant uitgangssignaal; slechts in geval van positieverandering verandert het uitgangssignaal. De opnemer van een dynamisch systeem daarentegen bemonstert de merkteken-drager continu, het uitgangssignaal is dynamisch. wijzigt continu; de aard van het dynamische signaal verandert als.de positie verandert. Eerst na Ilbewerking" van het uitgangssignaal wordt bekend of er sprake is

van positieverandering of niet.

Opgemerkt wordt hier dat interpolatie (het meten tussen merktekens) voor beide systemen duidelijk verschillend tot stand komt. Interpolatie bij statische systemen ontaardt in ingewikkelder en groter wordende opnemers naarmater de interpolatiefactor toeneemt. terwijl interpolatie bij dy-namische systemen comfortabeler en tot grotere factoren kan plaatsvinden

in de Iinabewerkingll. Verder is detectie van vervui 1 ing van het meetsy-steem bij dynamische systemen vrij eenvoudig mogelijk, terwijl dit bij statische systemen niet zo eenvoudig, vaak zelfs praktisch onmogelijk is. Een punt

vn

het nadeel van dynamische systemen zou kunnen zijn dat er tussen het moment van een positieverandering en de verandering van het uitgangssignaal. afhankelijk van het systeem, een 100ptijd kan bestaan die in bepaalde geval len problemen op zou kunnen leveren.

5.

Praktische principes.

In de nu volgende paragrafen zal aan de hand van voorbeelden, die al dan niet toegepast worden of werden in numeriek bestuurde machines, getracht worden am tot een grater inzicht te komen in de verschillende soorten meetsystemen. Daarbij zal blijken, dat het moeilijk is am systemen in

hokjes te stoppen, te sorteren, zoals min of meer in voorgaande paragra-fen gedaan werd. Vaak behoort een meetsysteem tot meerdere groepen. Het aantal principes van meetsystemen - door mensen ontwikkeld - is groot. Niet alle systemen zijn of waren succesvol. Het verdwijnen van systemen

is niet alleen afhankelijk van het technische succes, nauwkeurigheid etc. Het hier te geven overzicht is niet volledig, maar beoogt een bijdrage te leveren tot een beter begrip van meetsystemen.

Deze systemen bestaan uit een electrisch weerstandselement waarop een spanningsbron wordt aangesloten. Door middel van een glijdend contact wordt spanning afgenomen t.O.V. een van de uiteinden. Het element is zo geconstrueerd, dat de weerstand homogeen verdeeld is; de mate waarin dit geldt wordt uitgedrukt inde lineariteit. De fijnheid van de

verde-ling, afhankelijk van vorm en soort weerstandsmateriaal, bepaalt de kleinst waarneembare eenheid: het oplossend vermogen.

Vroeger werden vanwege de homogeniteit en de stabiliteit draadgewonden elementen toegepast. Tegenwoordig zijn nieuwe materialen met goede sta-biliteit en "one indig oplossend vermogen" (Cermet) beschikbaar. Potenti-ometrische systemen kunnen zowel roterend als lineair uitgevoerd worden.

In Fig. 4. is een voorstel1ing van een Jineair systeem gegeven.

O~---~--~

Het oplossend vermogen van een dergelijk systeem is, gezien de huidige mogelijkheden, onvoldoende. Om over een grotere lengte een nauwkeuriger meting uit te kunnen voeren, zou een combinatie met een roterend systeem, gekoppeld aan de schroefspindel (in Fig. 4 bijv.), een verbetering be-tekenen. De hele meetlengte wordt daardoor opgedeeld in een aantal kleine meetgebieden, die overeenkomen met de spoed van de schroefspindel. Een hoekverdraaiing van 2n radialen van het roterende systeem komt dus over-een met over-een verplaatsing die gel ijk is aan de spoed van de spindel. Het verloop van de uitgangssignalen van een dergelijk combinatiesysteem als funktie van de verplaatsing is in Fig. 5 weergegeven. De positie van de slede kan als voIgt bepaald worden: uit de uitgangsspanning V₁ van het lineaire systeem blijkt, dat er in werkgebied 8 van het roterende systeem gemeten wordt. De spanning V₂ van het roterende systeem geeft de plaats binnen dat werkgebied aan. De sledepositie is dus:

Hierbij kom a₁ overeen met de spoed van de aandrijfspindel.

11~---~ _m

Fig.

5.

Uitgangssignalen van een gecombineerd potentio-metrisch systeem. (In welke cate90rie moet dit

systeem geplaatst worden: analoog, absoluut, lineair, roterend, inkrementeel?).

Meetsystemen volgens dit principe behoren, gezien het mogelijke meet-bereik (0,06 - 2

mm),

lineariteit (1%) en de afhankelijkheid van opper-vlaktegesteldheden, niet thuis in de rij van deze besprekingen. De mogelijkheden om contactJoos snelle verpJaatsingen te meten, dus ook

trillingen (tot ongeveer 100 kHz), en het meetprincipe op zich, zijn redenen om dit systeem niet onbesproken te laten.

De fotonic sensor is opgebouwd met behulp van glasvezels. Deze glasve-zels zijn zo dun, dat licht in en uit kan treden aan het begin- en het eindvlak. Een dunne glaslaag, met een andere brekingsindex, aangebracht om elke vezeJ, zorgt ervoor dat het uittreden van licht anders dan aan het begin- en eindvlak tot een absoluut minimum beperkt wordt.

uittredende-J

lichtkegel

positie v.h.opp. X

A

B

Beschouwen wij voor het werkingsprincipe twee glasvezels. Aan een kant wordt via het eindvlak Jicht geworpen in een vezel, de " zendvezell l

; bij

het eindvlak van de andere vezel, de flontvangvezel", is een lichtgevoe-lig element aangebracht. Aan de andere kant eindigen de beide vezels in hetzelfde vlak. Deze kant is weergegeven in Fig. 6.A. Wordt een

reflecterend oppervlak voor de vezels gehouden dan zal licht uit de zendvezel weerkaatst worden, in de ontvangvezel treden en de lichtgevoe-lige eel bereiken. In Fig. 6 zijn verschillende posities getekend van het reflecterende oppervlak. In de onderstaande grafiek ( 6.B) is het verband afstand - uitgangssignaal weergegeven. De uit de zendvezel tre-dende lichtkegel wordt door het oppervlak als kegel weerkaatst. Wordt de afstand groter dan wordt het oppervlak van de weerkaatste kegel groter en derhalve het belichte deel van de ontvangvezel; dit resulteert in een lineair verband tussen verplaatsing en uitgangssignaal, totdat de licht-kegel het gehele oppervlak van de ontvangvezel bestrijkt. Bij nog groter wordende afstand verandert de verlichtingssterkte, die uiteindelijk de

.

lichtgevoelige eel bereikt, ongeveer omgekeerd evenredig met het kwa-draat van de afstand; zie de niet j'ineaire staart van de grafiek 6.B. De plaats van de top in de~rafiek is njet afhankelijk van de reflecte-rende waarde van het oppervlak, deze is namelijk niet bepaJend voor de plaats waar de lichtkegel degeheleontvangvezel bestrijkt. De hoogte

(gevoeligheid) van de top is weI afhankelijk van de reflecterende waarde van het oppervlak; door instellen van de lichtsterkte van de zendvezel kan de ijking van het systeem beinvloed worden. Het lineaire meetbereik, het eerste stuk in Fig. 6.8, is afhankelijk van de constructie, het aantal vezels en de rangschikking daarvan in het eindvlak.

De systemen die volgens dit absoluut dynamisch analoog principe werken

(IIU 1 t rascha II Wegmessys temel l

) en geen ext reem nauwkeu r j ge met i ngen op-leveren, zijn toch, door de constructie, de eigenschappen en de daaruit voortvloeiende mogelijkheden, zeer interessant te noemen. Lineairiteit, temperatuurcoefficient, reproduktie: enkele honderdsten van procenten; meetlengten tot 30 m, contactloos, zonder slepende kabels, geen slijtage, ongevoelig voor vuil etc., oneindig oplossend vermogen, ook in roterende uitvoering beschikbaar. Het principe van deze meetsystemen berust op meting van de looptijd van een geluidimpuls. V~~r de opwekking van de geluidimpuls in een staaf metaal, die als "I iniaall! dienst doet, wordt

A

B

c

gebruik gemaakt van het magnetostrictie of Joule effect. Magnetostrictie: wordt een staaf ferro-magnetisch materiaal in een magneetveld gebracht dat in de lengterichting van de staaf loopt, dan verandert deze staaf on-afhankelijk van de richting van het veld van lengte; de staaf wordt lang-er of kortlang-er afhankelijk van de matlang-eriaalsoort. De lengtevlang-erandlang-ering is afhankelijk van: het materiaal (en de behandeling die het ondergaan heeft), de temperatuur en de sterkte van het veld; de grootte-orde van de ver-andering is klein namelijk ongeveer 10-6 .

Een van richting wisselend veld geeft lengteveranderingen met de dubbele frequentie, immers de lengteverandering is onafhankel ijk van de richting van het veld. Door voormagnetisatie wordt bereikt dat de frequentie van de lengteveranderingen dezelfde is als die van de veldverandering, boven-dien kan door voormagnetisatie een gunstig werkpunt gekozen worden (maxi-maal effect).

_~ ... naar electronica _{ringvormige •}

mag~eet

niet magn_ buis met magnetostrictieve

electr.impuls

L.n.

-zendimpuls

₀

P

ontvang- I _L. ~n impuls I flip-flop

-t---'--:J--I--

I I I magneet,

.(f;~N

\ "

Z~1.

... )} --... - ----

---,,- • •

JL

geluid-impuls

D

I

₀

0

_n

.

_{• t I}

.

-j---v.

--t-f

-I gem.

Fig.

7.

Lineair systeem (A), schematische voorstelling (6) en signa I en (C).

In Fig.

7

is een uitvoeringsvorm van een lineair geluidmeetsysteem af-gebeeJd. Fig. 7.B is een schematische voorstel1ing terwijl C het mogeJijke signaalverloop voorstelt. Een van de punten tussen welke de

looptijd van de geluidimpuls gemeten wordt is vast en wordt gevormd door de ontvanger-zenderkant; het andere punt is de verplaatsbare ltmeetkop" die bestaat uit een ringvormige permanentmagneet, die op ruime afstand van een niet magnetische buis loopt waarin zich een draad van ferro-magnetisch materiaal bevindt, de magnetostrictieve draad. Het uiteinde van de draad is via een koperdraad verbonden met de zender. Draad en koperdraad vormen een stroomcircuit waardoor de zender met een vaste herhalingsperiode stroomimpulsen stuurt. Ter plaatse van de ringvormige

mag~eet, waar de magnetostrictieve draad voorgemagnetiseerd is, hebben

de stroomimpulsen een impulsvormige magneetveldverandering ten gevolge. Ten gevolge van het magnetostrictie effect wordt ter plaatse van de

(verplaatsbare) magneet een geluidimpuls (schokgolf) opgewekt die zich naar beide kanten voortplant. De impuls die naar het einde van de draad beweegt wordt, om storende reflecties te voorkomen, gedempt. De impuls die in de richting van de ontvanger beweegt wordt bij de ontvanger omge-zet in een electrische impuls.

Tegelijk met de zendimpuls wordt een electronische geheugenschakeling, fl ip-flop,"gezetll. De ontvangen impuls wordt gebruikt om de fl ip";flop "terug te zetten". Het uigangssignaaJ van de flip-flop heeft een tijds-duur gelijk aan de looptijd van de geluidimpuls van magneet tot ontvanger. De voortplantingssnelheid van de geluidimpuls in de merktekendrager is bekend zodat uit de gemeten tijd de afstand magneet/ontvanger bekend is. Doordat bij de opwekking van de impulsen een vaste herhalingstijd wordt aangehouden is de gemiddelde waarde van het uitgangssignaal van de flip-flop dus evenredig met de te meten afstand.

Duidelijk is dat de ontvangimpuls "terug moet zijn" voordat een nieuwe stroomimpuls wordt uitgezonden. Daar de voortplantingssnelheid van de geluidimpuls ongeveer 2800 meter per seconde bedraagt, is bij grotere meetbereiken de tijd tussen twee bemonsteringen betrekkelijk lang.

De inductieve hoekmeter is een rotatiesysteem en lijkt in opbouw op een electromotor. Meestal zijn twee of meer (veldwikkelingen)

wer-king, beschouwen wij Fig. 8 waar;n een schematische voorstelling met een stator- en een rotorwikkeling is gegeven (niet praktisch).

I

u.

1

Fig. 8. Voorstel1ing met een rotor- en een statorwikkeling. De statorwikkeling wordt gevoed met een wisselspanningsreferentiesig-naal U _s = U sin wt, waarbij U de amplitude en w de hoekfrequentie

0 0

voorstellen. De hoekfrequentie w = 2n . f waarbij f de frequentie voor-stelt; gebruikelijke waarden liggen tussen 60 en 1200 Hz, een veel ge-bruikte "draaggolffrequentiett _{is 400 Hz.}

De amplitude van de in de rotor geinduceerde wisselspanning is afhanke-lijk van de hoek, die de rotor maakt met de stator, dus de hoek die de rotor maakt ten opzichte van het magnetische wisselveld. De fase van het rotorsignaal is gelijk aan die van het statorsignaal of 1800 gedraaid(in

tegenfase). Voor het rotorsignaal geldt: U

=

C . U • cos a, waarbij

r s

C een constante is die onder ande~e afhangt van wikkelverhoudingen en onderlinge koppeling. Draa;t de rotor met een constante hoeksnelheid w ,

r

die uiteraard lager is dan w, dan heeft het rotorsignaal een amplitude die cosinusvormig verloopt als funktie van de verdraaiingshoek

a = w . t, terwijl de fase van het signaal elke halve omwenteling 180_r 0 verandert, omkeert. In Fig.

getekend.

UOsin~ stator t Uosinllll cos'" ~4+~4+~H++h~+hH4++~~~~~~ rotor ~ _ _ ~ _ _ ~~ _ _ ~ _ _ ~ _ _ _ _ L -_ _ ~ amplitude rotorsignaal 0 + - - - / fase rotor-t signaal IIi

-f7r

oc

Fig.

9.

Signaalverloop in het voorbeeld.

Beschouwen wij de amplitude en de fase van het rotorsignaal dan zien we dat over'een omwenteling, dus voor a van 0 - 2K, twee gebieden aan te wijzen zijn waarbinnen dezelfde signalen voorkomen: 0 - K en K - 2K.

Ook vo I gende omwente I i ngen I everen deze I fde signa 1 en op. Om aan het ro-torsignaal een eenduidige interpretatie te geven, kan slechts van een van de gebieden gebruik gemaakt worden: een halve omwenteling.

Een verdere beperking leveren de vlakke maxima (toppen) op die in ons voorbeeld optreden bij a

=

0, n, 2K, 3K etc. Echt bruikbaar blijft daar-door een deel van de verdraaiingshoek ter grootte van 110° tot maximaal 150°. Door gebruik temaken van twee statorwikkel ingen, die onder een hoek van 900 ten opzichte v~n elkaar geplaatst zijn en die met wissel-spanning gevoed worden met dezelfde frequentie en fase, kan een resul-terend veld opgewekt worden (~) dat een hoek ~ verdraaid is ten opzich-te van de stator; daartoe moet de amplitude van het ene statorsignaal evenredig zijn met sin ~ en het andere statorsignaal met cos ~.

Schrijven we voor U_o sin wt

=

Us dan geldt voor U

1 en U2 in Fig. 10.A:

"werkgebied"

"ao

..

; Ur

1:

"fr. ... _ .... - - ; !

f

:

A B

Fig. 10. Stator- en rotorsignalen en hoekverdraaiingen. Voor de in de rotorgeinduceerde spanning tengevolge van het veld van

statorwikkeling 1 geldt:

Daar het veld van stator 2 ruimtelijk 900 verdraaid is geldt voor de geinduceerde spanning in de rotor tengevolge van het statorveld 2:

Voor de totale geinduceerde spanning geldt:

U

r

=

U _{r 1 +} U _{r 2} = C1 U₁ cos ~ + C₂ U₂ sin ~

De constanten C

1 en C2 mogen gelijk verondersteld worden. Weglating van deze factoren geeft een kwalitatieve verandering van de signalen. doch dient wei de duidelijkheid; zodat geldt:

Substitueren wi j U₁ en U

2:

U

₌

U sin qJ

r s

.

cos a - Us cos <p sin Cl U _r

₌

U sin (<p - a)

s

Let 0p: Us is een draaggolfsignaal: U

o sin wt.

In Fig. 10.A zijn de statorwikkelingen en de rotor aangegeven evenals het verdraaide resulterende wisselveld ~; de hoek van dit veld ten op-zichte van de stator is aangegeven met <p, terwijl de verdraaiingshoek

van de rotor met Cl is aangegeven. Let op: in deze figuur is de hoek a

90

0 verschoven ten opzichte van de voorstelling in Fig.

8.

De verkla-ring moeten wij zoe ken in de afspraak dat U

1

=

Us . sin qJ en U2

=

Us cos <1'; voor <p

=

0 is U

1

=

a

en U2 maximaal!

In Fig . . 10.S zijn amplitude en faseverloop van het rotorsignaal gegeven als funktie van de rotorverdraaiingshoek Ct.; voor <p = 0 is de (amplitude)

omhullende van het (draaggolf) signaal gestippeld, voor <p

=

<P1 getrokken.

V~~r Ct.

=

<P geldt U

=

U sin 00

=

0 zoals ook in de figuur weergegeven.

r s

N.S. Als de rotor een hoek Cl

=

<p verdraaid wordt staat de rotor onder

o

een hoek van 90 op het resulterende veld ~, zodat de omvatte veldsterk-te 0 is en dus het uitgangssignaal 0; zie Fig. 10.A! In Fig. 10.B

is tevens het werkgebied aangegeven. Door de waarde van <p te veranderen

kan het werkgebied over een gehele omwenteling verschoven worden; meer dan een omwenteling is zinloos daar de hoek <p en de hoek <p

=

2~ niet van

elkaar te onderscheiden zijn.

De nauwkeurigheid van de fasegevoe~ige detectieschakeling~n, de grootte van het werkgebied en de verplaatsing per omwenteling zijn bepalende grootheden voor het oplossen& vermogen. Om een reeele meetlengte met een goed oplossend vermogen te verkrijgen worden in de praktijk meerdere systemen met tandwieloverbrengingen. met geringe speling, aan elkaar ge-koppeld. Hierbij bestrijkt een halve omwenteling van de "grofste hoekme-ter" het gehele meetbereik. De volgende "middel-hoekmehoekme-ter" bestrijkt een kleiner stuk meetbereik, de "fijnste hoekmeterl l _{bestrijkt een zeer} klein bereik zodat een grote nauwkeurigheid bereikt wordt. Hierbij wor-den de rotorsignalen U sin (<p-a) als stuursignaal gebruikt voor een

r

servosysteem. Zodra de verplaatsing het systeem binnen de gewenste om-wenteling

en

het gewenste werkgebied van de eerstvolgende fijnere

hoek-meter heeft gebracht, wordt dit gesignaleerd aan de hand van de waarde van het rotorsignaaJ dat de waarde 0 benadert; hierbij wordt een scha-kelpunt gepasseerd en wordt overgeschakeld naar de volgende hoekmeter. Wordt het werkgebied van de fijnste hoekmeter bereikt dan wordt naar deze laatste fijnste stap overgeschakeld. De verplaatsing behorende bij een omwenteling van de fijnste hoekmeter, de grootte van het werkge bied en de kwaJiteit van de interpreterende apparatuur bepalen uiteinde-lijk het oplossend vermogen van dit absolute analoge meet-positionerings-systeem. In Fig. 11.A zijn de uitgangssignalen van de fase gevoelige detectie-apparatuur van drie gekoppelde hoekmeters geschetst. De scha-kelpunten zoals in de tekst besproken zijn aangegeven. In Fig. 11.B

is een blokschema gegeven van een besturing met daarin een combinatie van drie hoekmeters.

~I~

-~I

grot iomSCha~e'Punt_ -..;

~middel

--:n!!~~

I I

I

I

!l

(\~(\

(J

n

TV\J:WV

U V

fijn I I I I

I'

~:'I

---!

~

i I

'~L

grof

I

I I grot 'middel "

I

\middel Itijn\ A Fig. 11. Combinatiesysteem. B syst •• m aanp".-sing W <f stu ring

I

motor .~teem aanpo' Sing ... detecti. kracht· I---¥eBterk.,

De toepassing van meerdere hoekmeters in een systeem vereist veel hulp-middelen. Elke hoekmeter moet van de op elk moment vereiste

statorsig-nalen worden voorzien; er moet in het juiste gebied overgeschakeld wor-den naar een andere hoekmeter van de combinatiej mechanisch hoogwaardige vertragingen die bestand zjjn tegen de optredende versnel 1 ingskrachten, zijn nodig om van de hoekmeters een bruikbare eenheid te maken.

Om de veelheid van componenten in te dammen wordt gebruik gemaakt van een combinatie die bestaat uit een analoog stuk, de hoekmeter, en een digitaal stuk waarin een teller en een digitaal-analoog schakeling die

z~rgt voor de sin ~ en cos ~ factoren in de draaggolfsignalen van de

statorwikkelingen. In een dergelijk systeem wordt de verplaatsing in-gegeven door middel van een impulsgenerator, waarvan de frequentie door de sturing vastgelegd wordt als funktie van de gewenste snelheid. De

impulsen worden geteld door een heen-terugteller. De inhoud van de tel-l er wordt in de dig i taa tel-l-ana I oogschake I i n9 "vertaa 1 dl l _{naar sin ~ en cos ~} factoren van de statordraaggolfsignalen; hiermee wordt het werkgebied van de hoekmeter verschoven. Naarmate de inho.ud van de teller groter wordt, verschuift het werkgebied verder en wordt het uitgangssignaal van de rotor groter en daarmee het uitgangssignaal van de fasegevoelige detector. Het detectiesignaal is het ingangssignaal van de stuurverster-ker-aandrijfmotorcombinatie en bepaalt de snelheid, die gelijk moet zijn aan de opgedragen snelheid; is dit laatste niet het geval dan neemt de tellerinhoud toe, het werkgebied verschuift, het uitgangssignaal wordt groter, het stuursignaal voor de aandrijving wordt groter met als gevolg een grotere snelheid. Dit snel verlopende regelproces leidt tot het re-sultaat, dat de werkel1jke snelheid gelijk wordt aan de opgedragen snel-heid. Bij een opgedragen snelheid die te hoog is voor het aandrijfsysteem om te volgen "loopt de teller volll en de hoekmeter raakt aan een grens

van zijn werkgebied. Op het moment dat de grens van het werkgebied van de hoekmeter gepasseerd wordt, wordt een signaal gegenereerd dat de im-pulsgenerator stopt, totdat het systeem zover verplaatst is, dat de hoekmeter weer binnen zijn werkgebied funktioneert. In Fig. 12 is een blokschema getekend, dat een eenvoudig idee geeft van de opbouw van een meetsysteem zoals hier b~schreven.

c: CIl :::) draaggolf gene ra tor

u)

tell er BESTUR I NG Fig. 12. Digitaal-analoogmeetsysteem.

Een nadeel van een dergelijk systeem zou kunnen zijn, dat bij uitval van de voedingsspanning de inhoud van de digitale eenheid verloren gaat. 8ij herstel van de voedingsspanning moet in ~In geval, evenals bij het "opstarten" van de machine, het nulpunt van de machine opnieuw vast-gelegd worden. De grotere eenvoud van het systeem is een niet te ver-smaden voordeel! Het oplossend vermogen dat met een inductieve hoekme-ter te bereiken is bedraagt enkele boogminuten. Men berekene ze1f wat dit betekent ten aanzien van het maximale meetbereik voor een

omwente-1 ing van een inductieve hoekmeter bij een bepaald oplossend vermogen. In het voorgaande is gesproke~ over inductieve hoekmeters met twee statorwikkelingen en een rotorwikkeling. In de praktijk zijn vele vari-anten met meerdere stator- en rotorwikkelingen toegepast; tevens kan de voeding niet op de statorwikkelingen maar op de rotor geschieden waar-bij de informatie uit de statorspanningen gehaald wordt. In plaats van amplitudemetingen zijn er ook systemen waarbij fasemetingen plaatsvin-den. Moderne electronische technieken uitgevoerd in geTntegreerde scha-kelingen bieden wel1icht nieuwe mogelijkheden voor de inductieve hoek-meter.

De werking van de inductosyn berust op hetzelfde analoge principe als dat van de inductieve hoekmeter; bij een inductosyn zijn ook rotor- en

statorwikkelingen te onderscheiden. De wikkelingen zijn in een plat vlak aangebracht, ingebed in niet magnetisch materiaal: kunststof, glas, gedemagnetiseerd staal etc. Door de constructie zonder magnetisch materiaal zijn de optredende magnetische veldsterkten zeer veel kleiner dan bij de inductieve hoekmeter. Om geinduceerde signalen van voldoende grootte te verkrijgen wordt hier met draaggolfsignalen gewerkt met een aanzienlijke hogere frequentie (10 - 20 kHz). De inductosyn wordt als

translatie- en als rotatiemeetsysteem uitgevoerd. Beschouwen wij de translatie-uitvoering. In Fig. 13 is een schematische voorstelling gegeven. De lineaal kamt overeen met de rotor van de inductieve hoek-meter; het bewegende deel wordt gevormd door twee, eveneens meandervor-mige, "wikkel ingenll die overeenkomen met de statorwikkel ingen. De steek

van aile wikkelingen is gelijk, in Fig. 13 aangegeven met A.

Ur 1

-:st

_..

...

..

lin iaal (rotor) opneemkop (stator)

Fig. 13. Schematische voorstel1ing van de translatie-inductosyn.

De statorwikkelingen zijn ten opzichte yen elkaar een geheel aantal ste-ken plus een-vierde deel van een steek verschoven, zodat zij electrisch gezien 900 verschoven zijn. Voor de in de figuur aangegeven spanningen gelden soortgelijke formules als de spanningen die voorkamen bij de in-ductieve hoekmeter. Voor U_r kan geschreven worden:

U_r

=

K(U₁ cos a - U₂ sin a) S

Voor een verdere beschrijving van signalen, signaalbehandeling en werkingsprincipes verwijzen wij naar het analoge verhaal over de hoek-meter. In Fig. 13 zjjn stator- en rotorwikkelingen naast elkaar

ge-tekend, in werkelijkheid worden de statorwjkkelingen op ongeveer een-tiende steek (0,1 A) afstand boven de liniaal bewogen. In Fig. 14 is dit schematisch weergegeven; stator 1 is hier maximaal-, stator 2 minimaal gekoppeld met de liniaal.

Fig. 14. Zijaanzicht inductosyn (schematisch).

Het aantal (meandervormige)wikkelingen per statorwikkeling beloopt enke-Ie tientallen. De keuze van het aantal berust op technische, functionele. constructieve gronden; een bespreking hiervan voert te ver.

Doordat de statorwikkelingen tientallen wikkelingen omvatten worden steek-fouten van de liniaal uitgemiddeld. Grote meetbereiken worden ook hier gerealiseerd door combinatie van grove-, middel- en fijne systemen. In

Fig. 15 is een schets gegeven van de manier waarop inductosyn linialen met een grove steek oerealiseerd worden; de schets spreekt voor zich,

tvlee posities zijn aangegeven voor de verplaatsbare " s tatorkop", een gestippeld, een getrokken.

__

~:-:-:+'-=---:=:!=-=J-liniaal

Ur :. U _{:. 1}

l-iA-1

In Fig. 16 A en B zijn afbeeldingen gegeven van een drievoudig trans-latiesysteem (A) en een rotatie-inductosyn (B). Meervoudige inductosyn systemen zoals afgebeeld kunnen ook met een grove inductieve hoekmeter gecombineerd worden. Een oplossend vermogen van ~~n micrometer voor een

inductosyn systeem is een operationele waarde. Bij inductosyns kunnen rotor- en statorwikkelingen, door middel van onderandere etsprocedels - voor inductosynsystemen gebruikelijk - zeer fijn geconstrueerd worden. Hierdoor kunnen rotatie-inductosyns geconstrueerd worden met een vee1 fijner oplossend vermogen dan dat bij de inductieve hoekmeter mogelijk is.

A

B

Rotor Stator

Fig. 16. Een liniaal van een drievoudige (translatie)inductosyn en rotor en stator van een rotatie-inductosyn.

Bij de absolute digitale meetsystemen is voor elke positie in de merk-tekendrager een kenmerkende getalwaarde neergelegd in de vorm van een binaire code. Het positieverschil tussen twee codes is het oplossend vermogen. In het ons bekende decimale talstelsel, grondtal 10, stelt het getal 9543 voor:

Het binaire stelsel heeft het grondtal 2; getallen worden voorgesteld met IInu llenl l enllenenll.Zo komt het binaire getal 1101101 overeen met:

of:

64

+

32

+

o

+ 8 + 4 +

o

+

hetgeen overeenkomt met het decimale getal: 109. In de loop der tijden zijn diverse binaire codes ontwikkeld die afwijken van de zuivere binaire-code. Zo is er de BCD voorstellingswijze (Binay Coded Decimal) waarbij het binaire getal opgebouwd is uit groepjes van 114 bitsll, waarbij elk groepje e~n digit, dit is een cijferplaats in het decimale stelsel,

ver-tegenwoordigt. Het getal 109 dat zoals hiervoor beschreven, in het bi-naire talstelsel door 1101101 wordt voorgesteld, wordt in het BCD stelsel voorgesteld door 000100001001. Beschouwen wij de tabel van Fig. 17

waarin een aantal decimale-. zuiverbinaire- en bcd getallen voorkomen. Het hoogs te geta 1 in deze tabe lis in de zu i vere ,b ina ire code weer te geven door een getal van 9 bits. In de bcd-code zijn voor dit getal 3x4 bit

=

12 bits nodig, waarvan de twee meest significante plaatsen in dit geval weggelaten zouden kunnen worden.

De tabel beschouwend en ons realiserend, dat elke bit in een liniaal een IIcodespoorli vertegenwoordigt. zal het onsduidelijk zijn, dat reeele

lengtes van linialen met een goed oplossend vermogen verkregen worden met uitgebreide codes, dus veel c~desporen. Willen wij een liniaal met een lengte van een meter met een oplossend vermogen van 0,01 mm, dan betekent dit dat de liniaal voorzien moet zijn van een 17 bits binaire code! Het oplossend vermogen van 0,01 mm betekent verder, dat de minst significante codebaan op 0.01 mm bemonsterd moet worden; de volgende baan heeft een Iisteeki l _{van 0.02 mm etc.}

Kijken we naar de tabel van Fig. 17 dan valt het ons op dat bij het maken van een elementaire stap, van een getalwaarde naar de volgende,

in verschillende bits tegelijk veranderingen optreden. Dit betekent dat bij het bemonsteren speciale maatregelen moeten worden getroffen om onzekerheid van 0-1 overgangen in de codebanen op te heffen. Vaak wordt dit probleem opgelost door dubbele bemonstering van de hogere codebanen, voor- en naijlend op de minst significante baan, waarbij de waarde van deze baan bepalend is voor het IIgeldigli zijn van de voor-of de naijlende bemonstering van de volgende codebaan.

Decimaal .Ehnair BCD

getal getal getal

0 000000000 OOOQ 0000 0000 1 000000001 0009 0000 0001 2 000000010 0000 0000 0010 3 000000011 0000 0000 0011 4 000000100 0000 0000 0100 5 000000101 0000 0000 0101 6 000000110 0000 0000 0110 7 000000111 0000 0000 0111 8 000001000 0000 0000 1000 9 000001001 0000 0000 1001 10 000001010 0000 0001 0000 1 1 000001011 0000 0001 0001 12 000001100 0000 0001 0010 13 000001101 0000 0001 0011 14 000001110 0000 0001 0100 . 15 000001111 0000 0001 0101 16 000010000 0000 0001 0110 30 000011110 0000 0011 0000 31 000011111 0000 0011 0001 32 000100000 0000 0011 0010 33 000100001 oooq 0011 0011 60 000111100 0000.0110 0000 61 000111101 0000 0110 0001 62 000111110 0000 0110 0010 63 000111111 0000 0110 0011 64 001000000 0000 011<) 01PO 65 001000001 0000 0110 0101 128 010000000' 0001 0010 1000 129 010000001 0001 0010 1001 255 011111111 0010 0101 0101 256 100000000 0010 0101 0110 257 100000001 0010 0101 0111 258 100000010 0010 0101 1000

Fig. 1 7. Ge ta lIen tabe 1 .

Het laatste probleem kan vermeden worden door gebruikmaking van een an-dere binaire code: de Gray-code. Deze code is een binaire code die zodanig opnieuw gerangschikt is, dat voor elke overgang naar een volgende code slechts een bit wijzigt. Het gevolg van dit herrangschikken is, dat de binaire waarde van de code niet overeenkomt met de toegekende waarde. Dit laatste houdt in dat het decoderen van Gray-codes, naar decimale ge-tallen, wat lastiger is dan voor zuivere binaire codes.

In Fi g. 18 zijn twee stukjes merktekendrager getekend met een 5 bits code: een zuiver binaire- en een volgens de Gray code.

I I I 1 , 1 I ,

1011 12 1314'5 lSi 7 I 8' 9110'

I I I I 1

120

1

Fig. 18 Linialen met Gray- en binai re code.

De zeer fijne verdeling en de problemen bij de bemonstering hebben het toepassingsgebied van dergelijke meetsystemen sterk beperkt. Absolute digitale merktekendragers worden weI toegepast in rotatie meetsystemen, waarbij met een beperkt aantal stappen per omwenteling volstaan kan worden en waarbij meetbereiken groter dan een omwenteling gemaakt wor-den door reJatief eenvoudige rotatie systemen te koppelen v,ia tandwiel-overbrengingen.

Fig. 19. Code schijf.

Afhankelijk van de gebruikte code kunnen tot 4000 posities per omwente-ling onderscheiden worden; het aantal te meten omwenteomwente-lingen kan vele tientallen bedragen. In Fig. 19 is een afdruk gegeven van een code-schijf van een optisch rotatiemeetsysteem met een oplossend vermogen van 1/400 omwenteling.

Een belangrijker plaats is ingeruimd voor de digitale systemen van het incrementele type. Bij deze systemen is de merktekendrager over het gehele meetbereik in gelijke delen verdeeld. Voor systemen, die van licht gebruik maken, een groot aantal, betekent dit dat de merkteken-drager verdeeld in in "strepen" die reflecteren en "strepenl l

die absor-beren of "strepen" die absorabsor-beren en IIstrepenl i _{die licht doorlaten; in}

beide gevallen zijn de strepen van gelijke breedte. Een doorlatende en een niet doorlatende streep (of een reflecterende een een absorberende streep) vormen samen ~~n IIverdelingll, anders: ~~n steek. De maat van de steek is mede bepalend voor het oplossend vermogen van het meetsysteem. De steek van verschillende meetsystemen kan sterk uiteenlopen (20 ~m -640 urn) waarbij de oplossende vermogens van de systemen in dezelfde grootte orde liggen. De verklaring hiervoor wordt gevonden in de manier waarop de merktekendrager bemonsterd wordt. Grovere steken kamen wij

tegen bij meetsystemen met dynamische bemonstering van de merktekendra-ger, waarbij goede mogelijkheden tot interpolatie, binnen een steek, aanwezig zijn. Fijnere steken zijn een "noodzakelijk kwaadl l _bij meet-systemen met statische bemonstering, daar de mogelijkheden tot inter-polatie hier aanzienlijk minder zijn. (N.B. zie oak par. 4.4) .

Fig. 20 geeft een schematische voorstel1ing van een merktekendrager die met een opnemer B bemonsterd wordt. In de figuur is het uitgangs-signaal van de opnemer aangegeven als funktie van de plaats. Wordt de opnemer verplaatst dan is door het tellen van het aantal blokvormige signalen de verplaatsing bekend; worden niet de blokvormige signalen maar de signaalovergangen, tw~~ per steek, geteld dan wordt een oplos-send vermogen bereikt gelijk aan een halve steek.

steek

r--,

Fig. 20. Merktekendrager met enkele bemonstering.

Aan het signaal is echter niet te zien, of af te leiden, of de ver-plaatsing naar links of naar rechts is geweest. N.B. Het getekende signaal is niet met de tijd gecorreleerd anders dan door de snelheid van de verpJaatsing; geen beweging, dan ook geen veranderend signaal: statisch. Om de richting van een verplaatsing te kunnen detecteren zijn minimaa! twee opnemers nodig in ~~n opnemerkop. Door twee opnemers signaaltechnisch een vierde steek verschoven (n + k waarbij n een ge-heel getal is) aan te brengen kan niet aIleen de richting van de ver-plaatsing bepaald worden, maar kan een oplossend vermogen van een vier-de steek verkregen worvier-den; twee signalen hebben samen vier overgangen per steek verplaatsing, deze treden op per een vierde steek verplaatsing. Door differentieren van de twee opnemersignalen worden per signaal een opgaande en een neergaande flank verkregen. Door de toestand van het andere signaal als conditie in te voeren bij het gedFfiferentieerde 5ig-naal, zijn uit de twee signalen impulsen af te leiden waarvan bekend is welke richting van beweging er bij hoort. Fig. 21 geeft een

schemati-sche voorste!ling van een opneemkop met twee opnemers (A en B) en de bij-behorende uitgangssignalen sIs funktie van de plaats van de opneemkop (a).

I

I

1- I

UAO~_ Fig. 2l.

Merkteken-!I

I

1-.,- drager met dubbele

VB

_0-

.

bemonstering. I I UA

!H

Us

Voor kleine steken zullen de opnemers licht gevoelige elementen zijn; het medium licht. Bij kleinere steken zal het onderscheidende vermogen van de lichtgevoelige elementen de oorzaak zijn van minder goed gede-finieerde uitgangssignalen; signalen van de vorm zoals in Fig. 21 b zullen het gevolg zijn. Nog kleinere steken veroorzaken soortgelijke signaJen met kleinere amplitude die nauwkelijks of njet meer te inter-preteren zijn. Dergelijke effecten kunnen bij vervuiling van de merk-tekendrager ook bij grovere steken optreden. Om bij zeer fijne verde-ling (kleine steek) toch goede signalen te verkrijgen worden hulpras-ters toegepast. De hulprashulpras-ters hebben dezelfde verdeling als de merk-tekendrager en zijn (signaaltechnisch) een kwart steek verschoven ten opzichte van elkaar aangebracht op een drager, v66r de licht gevoelige elementen. Het hulpelement (rasters) vormt samen met de lichtbron, fotocellen en eventueel objectief een geheel: de opneemkop. In Fig.

22 a en b zijn twee schematische voorbeelden gegeven, een translatie-en etranslatie-en rotatiemeetsysteem.

P11

merktekendrager 2 hulpr.ster 3liehtbron 40bjectief 5fotocellen

Fig. 22. Translatie- en rotatiemeetsysteem met hulprasters. De in Fig. 22 geschetste hulprasters beslaan slecht& enkele steken,

in de praktijk beslaan de rasters enkele tientallen steken; de gevoe-' ligheid voor vervuiling is minder, fouten in de rastersteek van de merk-tekendrager worden uitgemiddeld. Worden hulprasters toegepast dan is het verloop van de lichtintensiteit op de fotocellen lineair met de verplaatsing. Het uitgangssignaal van de fotocellen zal als funktie van de verplaatsing over een steek driehoekvormig verlopen, afhankelijk van de licht-donker verhaudingen (contrast) kan het signaal een meer sinusvarmig verloop hebben. Om minder afhankelijk te zijn van het con-trast worden voor elk signaal oak weI twee fotocellen taegepast elk

voorzien van een hulptaster; deze rasters zijn signaaltechnisch een halve steek verschoven zodatde belichting van de twee cellen in tegen-fase plaatsvindt, hetgeen een beter signaal oplevert. In Fig. 23 is een schematische voorstelling van een dergelijk meetsysteem, een

trans-latiemeetsysteem volgens hetzelfde principe als meetsystemen die door de firma Heidenhain geproduceerd worden.

~,chtbron

condensor

Fig. 23. Translatiemeetsysteem met vier fotocellen.

In dit systeem is een referentiemerkteken aangegeven dat het vastleggen van een machine nulpunt vergemakkelijkt. N.B. Bij rotatiemeetsystemen wordt vaak per omwenteling een markeringssignaal afgegeven.

In Fig. 24 zijn de signalen weergegeven met daarnaast een schematische aanduiding van systeemonderdelen; het systeem van Fig. 23 wordt hier voorgesteld door het bovenste blok.

In deze meetsystemen worden verdelingen met zeer kleine steken toegepast zodat een oplossend vermogen van enkele micrometers bereikt wordt; een dergelijk systeem is gevoelig voor vervuiling en dient afdoende beschermd te worden.

opneemkop +liniaal signaal-

behande-'i

ng i""-""--~ heen/ter teller 54486 Ifoto~n- - Ilgna'en - -

-==tl

/Q"O

_A Ua : : : : _{• • • • •} 0 :

I

t • ~ •

I

~ ub~JJd·l

¥'--.:

.

f • • • I I • • • I

IQ"Q

Ur~!

1

i.

. . . "'f:::tJ

.

.

j

" 0 I.. _ _ _ _ _ _ _ _ , 1. '..I. . ---~---~-~-~

:

uat

~

i

1

tt: .:

I

LJ

0 • • 0 • I

:

Ub

.

l

_{. ' .}

I :

C

..

I I U

oW",:

' • • 0 I t r t t r t ' ~_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ I.. _.1.. _!. _:.... _!_ ...J !j

r- -- - .

-.:~. ~":-:'-::-1 "

te'impUisen-~

.

.

_ , referentlepunt

Y1 : : : :

I

L

signaa' - ' : ' : : . . _ _ . _ _ . . _ _ I, _i _ : _I_~:J

.Fig. 24. Blokschema en signalen van een incrementeel digitaal translatie (rotatie) systeem.

De genoemde firma heeft een effectieve oplossing gevonde~, door de gehelemerktekendrageren de opneemkop in te kapselen, waarbij het

ver-bindingsstuk van de opneemkop met de gereedschapsmachine door een HOp

een ritssluitinggelijkende constructie" in de lengterichting verplaatst wor-dt terwijl de"ritssluiting"v66r en achter de opnemer gesloten is.

Door interpolatie kan bij een bepaaJde steek een gunstiger oplossend vermogen worden verkregen. Een beter oplossend vermogen houdt in: meer impulsen, lineair verdeeld over een traject van een steek verplaat-sing. Meer impulsen kan betekenen: meer opnemers, of signaalbehandeling

tangs electronische weg. De laatste mogelijkheid is in verband met vereiste nauwkeurigheden en de optredende signaalonzekerheden, onder-andere tengevolge van vervuiling van de merktekendrager, beperkt. Om meer opnemers toe te kunnen passen moeten de hulprasters op de drager

moet aangepast worden. Realiseren wij ons dat het aanral impulsen dat per steek verplaatsing verkregen kan worden twee per opnemer bedraagt dan zal het duidelijk zijn dat interpolatie door vergroting van het aantal opnemers een omslachtige zaak is. Hierbij tekenen wij aan dat niet aIleen de afmetingen van de opneemkop ons parten gaat spelen maar ook de nabewerking van de uitgangssignalen. Om aan de noodzaak van een groot aantal rasters te ontkomen kan gebruik gemaakt worden van het Moire-fringe verschijnsel. Door een hulpraster met dezelfde steek als de merktekendrager een kleine hoekverdraaiing te geven ten opzichte van de merktekedrager, ontstaan "donkere en lichte banden". Bij ver-plaatsing van het raster langs de merktekendrager verplaatsen deze band en loodrecht op de bewegingsrichting van het raster. De afstand tussen de banden, de steek, is afhankelijk van de steek van de merkte-kendrager en de verdraaiingshoek van het raster. Fig. 25 geeft een voorstelling van het hier beschrevene; s is de steek van het raster.

1

s

D is de steek van de banden, n is de hoekverdraaiing van het

hulp-o

raster, d geeft de verplaatsingsrichting aan van de banden terwijl x de richting van de verplaatsing van het hulpraster aangeeft. De vergrootte steek biedt de mogelijkheid om meerdere opnemers (bijv. fotocel1en) aan te brengen.

In Fig. 26 zijn over de afstand van enkele steken de tot

l~lokspan-ning" bewerkte uitgangssignalen van twee opnemers (ks verschoven) weergegeven als funktie van de plaats.

A

J

t1

2f

2U:

1 I f

,

~2

,

'l'" X ... R

...

,

I I _• I I I f _ H I

f1

t1

_2l'

2f

it

8

Fig. ,26.Uitgangssignaal van twee 900 verschoven opnemers A en B. Wordt van Links naar Rechts verplaatst (1) dan wordt signaal A

=

Hoog

terwijl B

=

Laag, vervolgens wordt B

=

H terwijl A = H,daarna wordt A

=

L terwijl B = H tenslotte wordt B

=

L terwijl A

=

L waarmee een steekverplaatsing heeft plaatsgevonden. Bij verder verplaatsen herhaalt de voorgaand beschreven cyclus zich voor elke steek verplaatsing. Wordt een verplaatsing van Rechts naar Links uitgevoerd (2) dan Is er voor een steek verplaatsing eenzelfde soort reeks van vier gebeurtenissen echter de voorwaarden zijn verschillend van die in gebeurtenis 1. Om te constateren of een signaalwaarde verandert kan het signaal gedifferenti-eerd worden, of er kan tangs digitate weg geconstatgedifferenti-eerd worden of de actuele waarde afwijkt van de voorgaande waarden (ook differentieren). Voor dit doe! wordt gebruik gemaakt van J-K Masterslave Flip Flops; eenvoudig vertaald zijn dit electronische geheugenschakelingen met twee

ingangen J en K waarop een waarde H of L (aan J) en de inverse daarvan L of H (aan K) aangebodenworden. Tijdens een impuls die aan een andere I'sleutel ingang", de klokingang, wordt aangeboden, wordt de informatie

in de "voorkamer", de Master Fl ip Flop, binnen gelaten. De uitgangen, zijnde de uitgangen van de Slave Flip Flop, veranderen nog niet: bij beeindiging van de klokimpuls wordt de "voorkamer" afgegrendeld en de deur naar de achterkamer, de Slave Flip Flop. geopend, de informatie wordt doorgegeven naar de uitgangen, die de waarde van het ingangssig-naal en de inverse daarvan IIvasthouden". Bieden wij dus sigingangssig-naal A en de inverse A aan, dan is na een klokimpuls de waarde van de uitgang Q gelijk aan de waarde van A tijdens de klokimpuls. Schakelen wij nu

twee Flip Flops achter elkaar zoals in Fig. 27 dan beschikken wij na

een

klokimpuls over de waarde van A n~ een klokimpuls maar tevens over de waarde A v66r de klokimpuls. Immers de waarde van de uitgang van de eerste Flip Flop is tijdens de klokimpuls de waarde van A voor de

impuls en is de ingangswaarde voor de tweede Flip Flop tijdens de klok-impuls! Bij de volgende klokimpuls (tweede) wordt de veranderde waarde doorgegeven aan de tweede Flip Flop.

A .1 A\ A'\

1-

a

J

a

""'I

1

~ ~I

2

K

a

R

K ,.;

....

N

klok im pulstngsng

Fig. 27. Twee gekoppelde Flip Flops.

Twee schakelingen zoals in Fig. 27, voor beide signalen A en S, zijn vere is t om de nod i ge signa 1 en met behu 1 p van poortschake I i ngen te kunnen selecteren. In Fig. 28 a en b zijn de signalen A en B geschetst als funktie van de tijd. indien met een eenparige snelheid van L naar R

(a)

en van R naar L (b) wordt verplaatst; tevens is ingetekend een klok-signaal, dat een continue rij klokimpulsen omvat. De herhalingsperiode van het kloksignaal en de duur van de impulsen zijn terwille van de

1 steek van L-R

r

sleek van R - L

.J

,

I

I I I

I

I I I I I I I

I

"

:-~--I-I-''''I'''''';'--I-'~'''''

- -_ _ I

I

I

I I

I

I , I I I

I

I : - - - --I -/ --

---:--~-""';-:-

r

1

I

I I : I I I I ' - -_ _ ~+_- - - - I _,_ ~ • I I I I I i---';'---i I ... ~+--'---+-- - -

~ ~-:

-

~-

-,'-- : - - - -....

,I-~II

-r:

--.

!

I

I

I I ~~I~--~I~ I

I

I I I

I I

,I.-...;~--;.--- - - -

-r-. , I

I

I

I

I:

I

,

I

I

I

I .

I J I

----, t

₅

1- - -

ra-I---f-I----t--f

_{s -}

1

-a b

Fig. 28. Signaalverloop als funktie van de tijd bij verplaat-sing met een eenparige snelheid.

In de figuur zijn de gebeurtenissen over een steek verplaatsing weerge-geven (1 tIm 8). Met behulp van electronische schakelingen kunnen de gebeurtenissen vastgelegd en geselecteerd worden. Zo geldt in Fig. 28a voor tijdvakje 1, dat signaal A van L naar H verandert terwijl B

=

L en zo blijft. Gevolg: gedurende een tijd gelijk aan een klokperiode is A I ::: H en A"

=

L of ATI

=

H en B'

=

L of 1fT ::: H en

BII

=

L of

sn

=

H.

In formulevorm weergegeven:

AI.AP.BT.BTI

=

H. Met deze voorwaarde kan een klokimpuls doorgelaten worden naar een teller, waarmee de verplaat-sing geregistreerd wordt. Voor Fig. 28 a en b kunnen de tijdjes 1